（地图学与地理信息系统专业论文）滑坡预测的水文力学耦合模型研究.pdf

华东师范大学博士学位论文摘要 摘要 降雨触发的滑坡是频繁发生的地质灾害，对人类的生命和财产构成严重威 胁。由于降雨触发的滑坡及其影响因素具有时空分布的特点，传统的对单个边坡 的稳定性分析和滑坡预测方法由于费用高，技术复杂，远远不能满足区域滑坡灾 害研究的需要。近年来，随着地理信息系统、遥感技术、空间数据库和计算机技 术飞速发展，运用现代信息技术对区域的滑坡灾害制图和预测成为可能。以g i s 为技术平台，考虑降雨引起的地下水位波动和土壤含水量增加对边坡稳定性的影 响，构建小流域滑坡预测的水文力学耦合模型，预测降雨触发下滑坡的发生， 具有重要的学术意义和应用价值。 总结前人基于g i s 对滑坡灾害的研究方法和成果，同时查阅滑坡灾害文献资 料和对日本滑坡实例进行分析，归纳出降雨引起滑坡的影响因素及边坡破坏机 理，构建小流域滑坡预测的水文力学耦合模型：采用有限差分算法，基于物理 的小流域滑坡分布式水文模型模拟地下水位波动和土壤含水量的变化；以边坡单 元为研究对象，基于栅格数据的极限平衡方法计算边坡安全系数；在计算过程中 实现地下水模拟与边坡安全系数计算的耦合，预测滑坡的发生。 运用水文一力学耦合模型预测滑坡，首先要对研究的小流域进行边坡单元划 分和研究范围进行空间离散。以栅格数据的数字高程模型( d e m ) 为基础，研 究d e m 对空间数据的存储格式，水文分析和地形分析算法。扩展现有的g i s 水 文分析和三维建模功能，实现基于栅格数据的边坡单元自动划分和有限差分网格 的自动生成。 s h e 及其改进模型是基于物理的分布式流域水文模型，能够模拟植被、地 形、地质等因素的空间变化对流域降雨径流影响，此类模型具有明确物理学机 制，能够适用于不同流域。本文借鉴s h e 模型的思想，建立小流域滑坡水文模 型，用来模拟地下水位波动和土壤含水量的变化。小流域在水平方向上由正方形 栅格组成，垂直方向上简化为树冠、非饱和层和饱和层三层结构。非饱和层土壤 水流用一维r i c h a r d s 微分方程描述，饱和层水流用三维渗流微分方程描述。 极限平衡方法具有概念清晰，数学表达简洁等特点，被广泛用于边坡稳定性 分析。但在g i s 中运用三维极限平衡方法进行滑坡研究还不多。本文考虑随时间 过程降雨入渗引起的地下水位波动和土壤含水量变化，采用三维极限平衡方法， 建立基于d e m 的边坡力学模型，计算边坡安全系数，分析边坡的稳定性和预测 滑坡的发生。 对滑坡预测的水文一力学耦合模型计算过程中信息交互进行描述，并对其实 现的关键技术进行研究，如建立壤中流、地下水流非稳态流动的数学模型，推导 其有限差分方程和求解过程，水文力学耦合模型滑坡预测的算法。在以上研究 的基础上，对水文力学耦合模型程序进行设计和编程。最后，以日本熊本县宝 川集村滑坡为例，进行滑坡发生预测的模拟，验证模型的合理性和可靠性。 关键词：滑坡预测，三维边坡稳定，地理信息系统( g i s ) ，边坡单元，分布式水 文模型，极限平衡方法，有限差分 华东师范大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h el a n d s l i d e si n d u c e db yr a i n f a l la r et h en a t u r a ld i s a s t e r sa n dm a k et h r e a t e nt o t h em a nl i v e sa n de s t a t e s t r a d i t i o n a lm e t h o d so fs l o p es t a b i l i t y a n a l y s i sa n d p r e d i c t i o nc o u l d n tb es u i t a b l ya p p l i e dt os t u d yl a r g ez o n el a n d s l i d eh a z a r d sb e c a u s e t h er a i n f a l l sa n dt h er e l a t e df a c t o r so fl a n d s l i d e sa r es p a t i a l l yd i s t r i b u t e d a d d i t i o n l y b e c a u s et h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o d so fs l o p es t a b i l i t ya r cc o s t l ya n dt h e i r t e c h n i q u e sa l ec o m p l i c a t e d i ti sp o t e n t i a lt os t u d yl a n d s l i d eh a z a r d si n1 a r g ez o n e t h r o u g hm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sw i t ht h ed e v e l o p i n go fg i s ，r s ，s p a t i a l d a t a b a s ea n dc o m p u t e r t h em a i nr e a s o n st oc a u s el a n d s l i d e sa r et h a tr a i n f a l lc a u s e s t h er i s eo fg r o u n dw a t e rt a b l ea n dt h ei n c r e a s eo fs u b s u r f a c es o i lw a t e r t h ep a p e r c o n s t r u c t sh y d r o l o g y m e c h a n i c sc o u p l i n gm o d e lo ft h el a n d s l i d ep r e d i c t i o n i nt h e m o d e ls y s t e m s ，t h ec h a n g eo fg r o u n dw a t e rt a b l ea n ds o i lw a t e ra r e dc o m p u t e dw i t h p h y s i c a l b a s e dd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l ，t h ef a c t o r so fs l o p es t a b i l i t ya r e c a l c u l a t e dw i t ht h e3 dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d t h i sr e s e a r c hh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lm e a n i n g s i n t h i sp a p e r , t os u m m a r i s et h ep r o d u c t i o n so ft h ef o i t n e rr e s e a r c h e r sa n d d o c u m e n t sr e l a t e dt ot h el a n d s l i d eh a z a r d s ，t os u mu pt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h e u n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fs l o p eu n i t ，f i n a l l yt h eh y d r o l o g y m e c h a n i c sc o u p l i n gm o d e l f o r t h el a n d s l i d ep r e d i c t i o ni sc o n s t m c t e d ，a n di t sp a r a m e t e r sa n di n p u td a t aa r e p r o v i d e d f i r s t l ys l o p eu n i t s a n df i n i t ed i f i e r e n c em e s h ss h o u l db ed i v i d e d a u t o m a t i c a l l y s t u d yt h es p a t i a ld a t am o d e l ，h y d r o l o g i c a la n a l y s i sa n dt e r r a i na n a l y s i s b a s e do nd e m e x t e n tt h ee x i s t i n gf u n c t i o n so fs p a t i a la n a l y s i sa n dh y d r o l o 画c a l a n a l y s i s a n di t i sa c c o m p l i s h e dt h a ts l o p eu n i t sa n df j n i t ed i f i e f e n c em e s h sa r e d i v i d e da u t o m a t i c a l l y r a i n f a l l s u r f a c ef l o wi se f f e c t i v e l ys i m u l a t e db yp h y s i c a l b a s e dd i s t r i b u t e d w a t e r s h e dm o d e l b e c a u s et h i sm o d e lc o n s i d e r st h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so fv e g e t a t i o n c o v e r a g e ，l a n du s e ，t o p o g r a p h ya n dg e o l o g y c o n s t r u c ts m a l lw a t e r s h e d s l o p e h y d r o l o g i c a lm o d e lt os i m u l a t et h eg r o u n d w a t e rf l u c t u a t i o na n dt h ec h a n g eo fs o i l w a t e ra f t e rt h ep r i n c i p l e so fs h em o d e la n di t se x t e n d e dm o d e la r es u m m a r i z e d t h e l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o di sw i d e l ya p p l i e di ns l o p es t a b i l i t yf i e l da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h ed i s t i n c tc o n c e p ta n dt h es i m p l ef o r m u l a t i o n b a s e d g r i dl i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o di ss u i t e dt oa n a l y s i st h es l o p es t a b i l i t yw h i l eg r o u n dw a t e rt a b l e f l u c t u a t e sa n ds o i lw a t e rc h a n g e sw i t ht i m e t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eh y d r o l o g y m e c h a n i c sm o d e li sd e s c r i b e d a n dt h e i m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sa r cs t u d i e df o re x a m p l et h ec o n s t r u c t i o n so fs o i ls e e p a g ea n d s u b s u r f a c ew a t e rf l o wm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h ec o n s t r u c t i o na n ds o l u t i o no ff i n i t e d i f f e r e n c ef o r m u l a t i o n s a n dt h ea r i t h m e t i c o fh y d r o l o g y - m e c h a n i c sm o d e l t h e p r o c e d u r eo fh y d r o l o g y m e c h a n i c sm o d e li sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d f i n a l l yt h i s m o d e li sv e h f i e di nt h ej a p a n e s el a n d s l i d em o d e l i n gc a u s e db yt h ec o n t i n u o u s l y h e a v yr a i n f a l l k e yw o r d s ：l a n d s l i d ep r e d i c t i o n ，3 ds l o p es t a b i l i t y , g i s ，s l o p eu n i t ，d i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e l ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 储擀：蛐啡哟 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：参翕南夸毋碍 日期：鲨：7 导师签名： 绉 华东师范大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景及研究意义 滑坡严重威胁人民群众的生命财产和各种工程安全( 崔政权等，1 9 9 9 ) 。滑 坡作用过程属于一种自然地质现象，但其造成的后果却是一种社会和经济现象， 具有灾害性，它不仅给人类生命安全带来威胁，而且对财产、环境、资源等具 有破坏性。从地质灾害的角度看，滑坡给人类带来的损失可能仅次于地震，但 是滑坡所发生的频率和范围又远远超过地震。无论是从单个滑坡所造成的危害， 还是从区域性的宏观角度观察，其灾害性已大得令人震惊。世界上滑坡灾害主 要集中在环太平洋周边的多山国家、欧洲阿尔卑斯山和亚洲的喜马拉雅山等地 区的多山国家，中国、日本、美国、加拿大、秘鲁、智利、法国、意大利、瑞 士和印度等国是世界上滑坡现象最丰富、灾害也最严重的国家( 殷坤龙，2 0 0 4 ) 。 人类活动与滑坡灾害之间变得日见相关。面对这样的形势，传统的以单个 滑坡机理研究和整治为目的的方法和手段在减轻滑坡灾害方面已经显得力不从 心，所以，区域性的、超前性的预测研究迫在眉睫。开展滑坡灾害危险性评价 和滑坡灾害预测预报研究是当今国际滑坡灾害研究和环境地质研究领域的前沿 课题，是合理解决人类活动与地表自然地质体平衡关系的关键问题之一，具有 重要的理论意义和实际意义。 大范围区域内的滑坡灾害图划分和滑坡发生预测预报，对区域规划、线路 选定、建筑物选址以及滑坡灾害的防治等至关重要。由于影响滑坡稳定性的各 因素及滑坡灾害本身呈现一种空间分布。因此，理想的方法是采用一种能处理 空间数据及其关系的工具来进行滑坡灾害评价和滑坡发生预测( 谢谟文，2 0 0 3 ) 。 近年来随着计算机迅速发展，微型机的计算、存储、显示功能大大增强， 地理信息科学得到空前的发展。g i s 是一个能够进行海量空间数据管理、编辑、 输入、处理、转换、检索、统计、分析和可视化表达的软硬件系统，具有强大 的空间数据处理和分析功能。g i s 已广泛运用在边坡的地质数据管理、滑坡灾 害制图、滑坡灾害预测、边坡稳定性评估等多个研究领域。 边坡失稳的类型主要有：滑坡、崩塌、泥石流。斜坡上的大块岩土体，由 于降雨、地震、开挖等触发，在重力作用下，沿着滑动面整体向下滑动，称为 滑坡。滑坡是边坡失稳的主要表现形式之一，是内因和外因共同作用的结果。 内在因素如地下水、地表水、地形地貌、物理力学特性、地层结构特性和地质 介质特性；外在因素包括地震、降雨、采矿、人工开挖等。大规模滑坡的形成 华东师范人学博士学位论文第1 章绪论 过程常受到地质构造控制，沿着断层、结构面和基岩面等软弱面滑动。而大范 围详细地质调查费用高，几乎是不可能的；此外，严格来说，三维数据模型理 论还不成熟，现在的商业g i s 软件仅能存储平面数据，或准三维的地形数据， 精确描述和存储真三维地质数据是困难的。而d e m 数据模型能很好表达浅层滑 坡相关的地形、地层和地下水位数据。因此以g 1 8 为工具，基于物理原理研究 可能发生浅层滑坡的边坡稳定性是可能的。 根据滑坡调查资料，大多数浅层滑坡的发生都具有相似的地层结构特征： 表土层为强风化强透水层，基岩为弱风化或未风化的弱透水层。在持续降雨作 用下，地下水位上升，常发生顺基岩面的浅层滑坡。滑坡发生的主要原因在于， 持续强降雨作用下，引起地下水位上升，土壤饱和，有效剪切强度降低。三维 极限平衡理论数学表达简洁，概念明确，能很好地计算和判断上述类似地质构 造的边坡稳定性。而分布式水文模型能很好地模拟流域水文循环过程，和地下 水运动( m b a b b o t ，1 9 8 6 ；c h r i s t i n ee ，2 0 0 6 ) 。三维极限平衡方法大多基于柱体 单元的，分布式水文模型是基于栅格数据的，所以研究基于g i s 的集成的分布 式水文模型和三维极限平衡力学模型耦合，能够分析在降雨作用下小流域边坡 稳定性，和预测滑坡发生。但把水文模型和极限平衡方法耦合起来，预测滑坡 的发生，相关研究还很少。因此，基于有限差分算法的分布式小流域水文模型 模拟降雨引起地下水位上升，极限平衡计算边坡安全系数，在计算过程中把两 者集成起来，预测滑坡的发生，此类研究具较高的学术意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基于g i s 的滑坡灾害研究现状 滑坡灾害作为频繁发生的、危害严重的自然灾害之一，受到各个国家、地 方政府、科研机构的重视。g i s 已广泛运用到的滑坡灾害危险性区划制图、受 滑坡威胁对象易损性评估、滑坡灾害监测和预测预报研究和应用中。g i s 在滑 坡灾害中的研究成果，有效地应用于防灾减灾、区域规划、线路选址、工程设 计等领域，取得可喜的成绩。 根据滑坡灾害的成因、形成和发展的不同阶段，滑坡灾害研究内容可分为： 滑坡灾害敏感性分析与制图；降雨、地震等滑坡诱发因素与滑坡形成的相关性 研究及预测；滑坡变形、滑动过程模拟；滑坡灾害波及的范围及造成的损失评 估。研究目的不同，以及所具有的资料数据不同，采用的研究方法也不同，研 究方法有：定性描述方法；统计方法；力学模型方法等。 定性描述方法基于大量滑坡数据收集、现场调查基础上，借鉴地质专业、 华东师范大学博士学位论文第1 章绪论 工程专业和相关技术人员的经验，对可能发生滑坡的区域、可能危及的范围进 行描述，造成的损失进行评估。g i s 提供可视化的分析工具，有助于研究人员 判别、决策。信息模型法、专家打分法，是半定量分析方法( 王亚强，2 0 0 4 ； 朱良峰，2 0 0 3 ) 。这种方法受到不同专家经验的限制，主观性较强，一般归属于 定性方法。由于地质复杂性，灾害发生偶发性和随机性，定性描述具有不确定 性，解决滑坡问题是远不够的。 统计方法是基于对已发生的滑坡与影响滑坡的因素统计回归，利用回归公 式计算滑坡敏感性、对特定的地点和时间可能发生的滑坡进行预测，是种定量 分析方法( a n d r e wc o l l i s o n ，2 0 0 0 ；e c d a i ，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ；k r i sh o l m ，2 0 0 4 ；g r e g o r y c2 0 0 3 ；m a n d yl i n e b a c k ，2 0 0 1 ；s a r ol e e ，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 。滑坡发生的相关因素 有坡度、坡向、高程、地质、上坡汇水面积、纵剖面曲率、水平剖面曲率、表 土材料、岩性、地质结构等；滑坡的诱发因素有降雨、地震、开挖等。统计方 法采用基于栅格的g i s 空间分析模块和地统计模块相关分析功能。研究方法不 同，采用单元形式也不同。常采用的单元形式有栅格单元、均一条件单元、地 形单元和边坡单元。滑坡的相关影响因素众多，有些因素与滑坡发生具有强相 关性，这些因素保留：有些因素相关显著性不明显，从模型中剔除。采用的统 计方法有多元线性回归、二元逻辑回归、多元逻辑回归等。国内外学者用回归 分析做了大量研究。国内如邢秋菊( 2 0 0 4 ) ，王亚强( 2 0 0 4 ) ，朱良峰( 2 0 0 3 ) ， 兰恒星( 2 0 0 2 ) ，e c d a i ( 2 0 0 0 ) 。例如文( e c d a i ，2 0 0 0 ) 中，运用多元相关 分析，把影响因素进行分类和线性组合，生成若个主成分，并将主成分与滑坡 发生进行多元逻辑回归，用回归模型对研究区域进行敏感性分析和制图。文( e c d a i ，2 0 0 2 ) 中，对降雨引起的浅层滑坡进行逻辑回归建模。国外，如( k r i sh o l m ， 2 0 0 4 ) 文中研究冰川消退对滑坡活动的影响。采用二元分类树分析方法，得出 影响滑坡发生的最显著因素，用多变量统计分析方法得出滑坡与影响因素的相 关性。文( g r e g o r yc ，2 0 0 3 ) 中用多元逻辑回归和g i s 技术预测滑坡灾害取得 较好的效果。研究表明地质、坡度与滑坡发生具有显著相关性。影响滑坡的地 质因子、环境因子具有时间和空间的随机性和不确定性，用这样的影响因子研 究滑坡也存在较大的不确定性，有学者把概率论引到滑坡定量分析中( 周翠英， 2 0 0 4 ) 。总之，统计方法适用特定的地区，滑坡频繁发生，有较多的滑坡历史记 录，采用航空影像解译、历史记录、现场实测获取滑坡发生的位置和轮廓线， 根据d e m 获取地形数据，地质图获取岩性数据，土地利用图获取植被覆盖等 数据，采用多元相关分析、多元回归等统计方法。上述可见，统计方法缺点在 于：这种方法仅适用于有记录的较多滑坡的特定地区，一个地区获取的回归公 式不一定适用于另一地区。 华东师范大学博士学位论文 第1 章绪论 力学方法是根据边坡的物理力学原理，边坡在外荷载( 如降雨、地震) 作 用下，达到极限平衡而失稳，或者土体在较高应力作用下发生蠕变、流变等缓 慢破坏。由于用g i s 研究大区域，地质资料的缺乏，很多学者采用简化的二维 极限平衡分析方法。有些学者考虑降雨影响的渗流耦合分析。如国内中科院地 理所兰恒星提出的滑坡一水文耦合模型研究，也就是采用无限斜面模型，假定地 下水位、滑动面与地表平行，水文模型分析的地表径流补给地下水，通过一定 的简化计算滑体重力、静水压力、渗透压力共同作用下边坡稳定性安全系数( 兰 恒星，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) 。王旭春等( 2 0 0 3 ) 也是采用无限斜面平衡理论研究边坡稳 定性。a n d r e wc o l l i s o n ( 2 0 0 0 ) 用g c m 模型预测未来降雨量，基于g i s 运用 水文模型和无限边坡稳定性分析模型，建立在气候变化的情况下滑坡频度和范 围的影响模型。( m o w e nx i e ，2 0 0 4 ) 文中，用一维渗透模型模拟降雨引起的边 坡岩体渗流场的变化。渗流模型和无限边坡模型耦合，开发了集成的无限边坡 分析模型，用来评估受渗透的影响下地表边坡稳定性。谢谟文( 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ， 2 0 0 4 ) 采用边坡三维极限平衡理论，利用基于微分柱体的三维边坡稳定分析模 型，建立基于g i s 栅格数据的三维稳定性分析模型。并假定滑坡体的初始滑动 面为椭球体的下部分，m o n t ec a r l o 随机模拟搜索最危险滑动面。上述文献都是 基于力学平衡理论，不能模拟岩体的缓慢变形过程。h c h e n ( 2 0 0 3 ) 把拉格朗 日有限元法( u 砸m ) 引入g i s 滑坡分析中，模拟滑坡运动的过程和滑坡体影 响，模拟效果较好。但该文l f e m 法是基于准三维的，考虑地形的起伏，没有 考虑滑坡深度的变化，有很大的局限性。李先华等( 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 1 ) 基于 刚体运动规律，数字模拟滑坡过程。提出动态滑移面和瞬间稳定系数的概念， 分析了滑坡在降雨作用下启动机制、运动过程中瞬间受力状况、运动方向和速 度变化。最后，在g i s 支持下完成了滑坡在三维空间中运动过程的数字仿真。 综上所述，基于g i s 对滑坡灾害的研究，大部分采用统计方法和简化的力 学模型。这些研究方法对大区域的滑坡灾害敏感性制图、滑坡灾害预测、区域 规划具有一定的适用性。但没有考虑降雨引起地下水位波动及渗透过程对边坡 稳定性的影响，严格来说都是静态的。 1 2 2 分布式水文模型研究现状 流域水文模型自2 0 世纪7 0 年代以来取得了很大的进展，各种模型仅从模 拟流域单个水文过程来看，可以获得较好的效果。但由于它们均属于集总式水 文模型，无法分析流域内部自然因素的时空变异性对水文过程的影响，也就难 以很好模拟土地利用和植被变化对水文过程的影响。分布式水文模型直接描述 各种环境要素和状态在流域中的变化，通过物理过程的数学仿真计算，动态模 华东师范大学博十学位论文第1 章绪论 拟出流域上的水分传输。目前，国外在分布式水文模型方面的研究进展较大， 以t o p m o d e l 、s h e 、s w a t 、r h i n e f l o w 、a n s w e r s 、f l a t w o o d s 等 为代表盼流域分布式水文模型均已被较为广泛的采用。在国内流域分布式水文 模型的研究目前已经引起水文学的关注，但真正能够用于实际的分布式水文模 型尚未推出。 t o p m o d e l 是b e v e n 等于1 9 7 9 年提出的一个基于地形的半分布式二源流 域水文模型( b e v e nk j1 9 9 5 ，2 0 0 2 ) 。o l o u g h l i n 将其与g i s 和现代图形技术 相结合，增强了模型模拟和可视化的能力。t o p m o d e l 已在水文领域获得了 广泛的应用。t o p m o d e l 是一个以地形为基础的半分布式流域水文模型，其 主要特征是利用地貌指数l n 位t a n 卢) 来反映流域水文现象，特别是径流运动的 分布规律。该模型结构简单，优选参数少，物理概念明确，在集总式和分布式 流域水文模型之间起到了一个承上启下的作用。 s h e ( t h ee u r o p e a nh y d r o l o g i c a ls y s t e m ) 是由欧洲联盟投资，英国水文研究所 ( i n s t i t u t eo fh y d r o l o g y ) 、法国咨询公司s o g r e a h 和丹麦水力学研究所 ( d a n i s hh y d r a u l i ci n s t i t u t e ，简称d h i ) 于上世纪8 0 年代初期联合研究和开发 的基于物理的分布式水文模型( m b a b b o t t ，1 9 8 6 ) 。s h e 模型中包含了研究流 域的主要水文过程，如融雪、树冠截流、蒸散发、地面径流、沟渠流、壤中流 和地下水流。采用模块化开发，每个子水文过程由一个独立的软件模块实现， 每个模块之间能够进行信息交换。也就是说一个模块产生的特定信息能作为基 它模块的输入数据或边界条件。同时，开发中央控制模块f r a m e ，控制采用 不同时间步的其它模块的并行运算，同时实现模块之间的信息交换。 m i k es h e 则是丹麦水力学研究所于上世纪9 0 年代在s h e 模型基础上发 展来的模型，广泛应用于研究气候波动和水文变化的流域水资源和水环境 ( r e f s g a m da n ds t o r m ，1 9 9 5 ) 。a n d e r s e n 等( 2 0 0 1 ) 修改了m i k es h e 模型， 简称为m s h em 。m i k es h e 和m s h em 模型差别在于壤中流的描述方法不 同。在m i k es h e 模型中，用完全r i c h a r d s 方程模拟垂直方向的壤中流；而 m s h em 模型中，用简化r i c h a r d s 方程模拟。 s w a t ( s o i la n dw a t e ra s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 是在s w r r b 模型基础上发展起来 的，由美国农业部农业研究服务中心研制开发的分布式流域水文模型，其主要 目的是模拟预测气候波动、土地利用、植被覆盖等对流域水量、水质等方面的 影响( r o s e n b e r gn j ，1 9 9 9 ) 。从模型结构看，属于第二类分布式水文模型，即在 每一个网格单元( 或子流域) 上应用传统的的概念性模型来推求净雨，再进行 汇流演算，最后求得出口断面流量。s w a t 具有很强的物理机制，它能够利用 遥感和地理信息系统提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程，如水 华东师范大学博士学位论文第1 章绪论 量、水质以及杀虫剂的运移与转化过程。尤其在面源污染、水土流失、土地利 用和农业管理等研究领域得到广泛应用( 陈军峰，2 0 0 4 ；王中根，2 0 0 3 ) 。 依据相关水文过程的描述、时空分辨率和研究范围不同，常分为微观尺度、 中观尺度和宏观尺度水文模型( r a l fk u n k e l ，2 0 0 2 ；b o g e n ah ，2 0 0 5 ) 。大多模型 是针对特定尺度和水文循环特定方面的模拟需求来开发的。基于物理模型，如 p r m s ( l e a v e s l ye ta 1 ，1 9 8 3 ) ，t o p m o d e l ( b e v e n e ta 1 ，1 9 9 5 ) ，s h e ( a b b o te t a 1 ，1 9 8 6 ) 都是针对微观尺度或中观尺度的流域的应用而开发的。模拟的时间步 为每小时，或每天。对于宏观区域( 如州、国家) ，由于数据的缺乏，上述模型 是不适用的。鉴于上述原因，为预测宏观流域水文过程，如地表径流，地下水 补给。近二十年来，又发展了宏观尺度的水文模型。如r h i n e f l o w ( k w a d i j k a n dv a nd e u r s e n ，1 9 9 3 ) ，以月为时间步，计算整个r h i n e 盆地的水量平衡。 1 2 3 存在的问题与不足 综上所述，基于g i s 研究滑坡和流域水文循环取得较大进展。但存在如下 问题：统计方法研究滑坡只能适用特定地形地貌和地质条件的具有较详细滑坡 记录的特定区域，也就是说一个区域研究所得的回归模型不一定适合另一个区 域；无限斜坡极限平衡模型过于简单，不能反映边坡真实受力状态，计算精度 不高。现有的文献基于力学方法研究边稳定性没有考虑降雨作用下地下水位的 波动。 当前大多分布式水文模型侧重于降雨径流过程模拟，如t o p m o d e l 、 s w a t 、r h i n e f l o w ，地下水流模拟功能弱。s h e 模型能够模拟地下水运动， 但对含水层饱和水流模拟做了简化，含水层是具有一定厚度的二维水平流，忽 略竖向流的作用。地下水位的变化对边坡的稳定性影响显著，上述模型对地下 水模拟不能满足边坡稳定性分析的对精度的要求。 本文研究小流域在降雨作用下，滑坡稳定性和发生预测，有必要对现有的 分布式水文模型进行改进，并和三维极限平衡模型耦合，模拟滑坡发生的时空 分布。 1 3 论文研究的主要内容 n ) 研究边坡对象界定 滑坡是频繁发生的自然灾害之一。滑坡类型不同和研究目的不同，采用方 法也不同。首先要对本论文研究的边坡类型，研究目的和方法等给出明确的定 义。滑坡主要研究内容有：边坡变形破坏机理；边坡稳定性分析；边坡变形监 测及分析预报；边坡变形与环境因素敏感性分析；滑坡形成及运动学模拟；灾 华东师范大学博士学位论文第1 章绪论 害影响范围估计与灾害损失评估等( 孙广忠1 9 8 8 ) 。孙广忠按滑坡机制分类： 楔形体滑坡；圆弧面滑坡：顺层面滑坡；倾倒变形破坏边坡；溃屈破坏边坡； 复合型滑坡；开裂变形；堆积层；崩坍碎屑流型滑坡。崔政权把边坡变形失稳、 破坏、滑动等统称为边坡问题，按表现形式分：滑坡；崩塌；座滑：滑流；泥 石流( 崔政权，1 9 9 9 ) 。 本论文研究的对象界定为土质边坡，在持续降雨作用下，地下水通过地表 入渗补给，在地下水和边坡自重作用下，沿着基岩面或新生滑动面运动。 ( 2 ) 在降雨作用下浅层边坡滑坡机理及形式研究 通过查阅相关文献，和对日本实际发生的滑坡现场调查资料的分析，总结 出在降雨作用下边坡破坏的机理。并提出能够模拟这种滑坡形式的集成的分布 式小流域水文模型和三维极限平衡方法耦合的概念性模型。 ( 3 ) 研究单元和有限差分网格自动划分研究 数据源可以是地形等高线图、数字d e m 、钻孔数据、剖面地质数据等。 g i s 处理栅格数据功能特别强，按分析精度要求，给定像元尺寸，通过插值或 重采样，生成具有相同原点和相同大小分辨率的地形、地下水位、基岩表面的 栅格数据，无数据的部分用n o d a t a 存储。根据地形数据，研究流域单元、边坡 单元、和有限差分网格的自动划分算法，实现研究单元的自动生成。 ( 4 ) 小流域的基于物理的分布式水文模型研究 借鉴s h e 模型水文过程物理学机制，和s h e 系统的设计方法。结合本论 文研究内容，对s h e 模型进行简化和改进，同时针对持续降雨的水环循环的特 点，提出集成的基于物理的分布式小流域水文模型，并给出相应的每个水文过 程的物理学描述。 ( 5 ) 基于g i s 的地下水位变化下边坡稳定性计算 在持续降雨作用下，随降雨入渗作用地下水位面上下波动，边坡可能从稳 定状态到失稳破坏。研究基于g i s 的三维极限平衡方法的边坡安全系数计算。 假定最小安全系数时的滑动面为最危险滑动面。运用m o n t e c a r l o 法随机搜录最 危险滑动面，据此判定边坡稳定状态，以及发生滑动的时间。 ( 6 ) 基于小流域浅层滑坡预测的水文力学耦合算法的实现 对水文力学耦合模型的耦合方法进行描述。确定整个模型的输入变量和输 入参数，描述各水文过程的联系，地下水的模拟作为边坡稳定性的计算输入变 量。对耦合模型的关键技术进行研究，如非饱和流垂向有限差分算法，饱和流 三维有限差分算法，以及地下水位波动的模拟等。 1 4 研究技术路线 华东师范大学博士学位论文第1 章绪论 论文采用理论研究结合实例开发的研究技术路线，在充分研究国内外基于 g i s 研究滑坡的理论现状，总结不足，确定论文的研究目标。针对研究目标制 定论文的研究内容以及一些关键技术的解决方案，并结合日本熊本县滑坡实例， 验证模型的有效性。具体的研究技术路线如图1 - 1 所示。 收集国内外有关 论文内容的文献 分析基于g i s 的滑 坡灾害研究现状 总结存在的 问题 确定论文 研究内容 ：旦：二：二：二：二i 旦i i i i i i i i i i i i i i i i 匿匿 1 分网格划分方案li 坡安全系数计算l 工 浅层滑坡的水文力学模型系统的构建及关键技术研究 上 实例验证：熊本县宝川内集滑坡发生预测模拟 1 5 论文创新之处 国1 - 1 研究技术路线框图 1 5 1 研究方法创新 传统采用极限平衡方法分析边坡稳定性，通过绘制地质剖面图，对边坡进 行垂直条分，编制程序和手工进行计算。仅以单个边坡为研究对象，计算程序 复杂，效率低下。而且不能模拟降雨引起的地下水位波动对边坡稳定性的影响。 本文以g i s 为平台，以地形和水文分析理论为基础，提出基于栅格的数字高程 模型的边坡单元自动划分方法，和三维有限元网格的自动生成。本文研究方法 使基于物理力学的大区域边坡稳定性分析，和降雨作用下的滑坡预测成为可能。 1 5 2 研究理论创新 通过文献调查和日本滑坡实例研究，分析浅层滑坡破坏的机理。针对滑坡 破坏的特征，提出浅层滑坡预测的水文力学耦合模型。为模拟降雨引起的浅层 滑坡，简化和改进了s h e 模型，提出基于物理的分布式小流域水文模型，并对 水文一力学耦合模拟的关键技术进行了研究。以g i s 为平台，实现了地下水位与 边坡安系数计算的耦合，有效模拟降雨引起的滑坡的时空分布。 华东师范大学博士学位论文第2 章滑坡预测的水文力学耦台模型构建 第2 章滑坡预j i i l l 水文- 力学耦合模型构建 本章通过相关文献调研和日本滑坡实例分析，对森林覆盖的小流域持续降 雨作用下，浅层滑坡特征、破坏机理进行分析和总结。提出适合浅层滑坡预测 的水文力学耦合模型。晟后给出边坡稳定性分析和滑坡预测所需的原始数据、 模型输入参数及其存储格式。 2 1 滑坡特征及机理分析 2 1 1 本文研究的滑坡特征 滑坡是在特定的区域和时间有崩坏可能的地质灾害( v a r n c s ，1 9 8 4 ) 。滑坡 一词包含的内容很多，大多数滑坡分类依据于地貌、材料、触发机理等。v a r n c s ( 1 9 7 8 ) 提出的滑坡分类原理和术语，其主要依据因素为材料、运动特征，其 次为内破裂角和含水量等因素按材料类型分成两类：岩石滑坡，软土滑坡 ( n a t i o n a la c a d e m yo fs c i e n c e ，1 9 7 8 ) 。滑坡根据运动特征通常可分成五个主要 类型：落下，倾倒，滑坡，崩塌和流动。斜坡上的大块岩土体，由于降雨、地 震、开挖等触发，在重力作用下，沿着滑动面整体向下滑动，称为滑坡。滑坡 是边坡失稳的主要表现形式之一，是内因和外因共同作用的结果。内在因素如 地下水、地形地貌、材料物理力学特性、地层结构特性和地质介质特性；外在 因素包括地震、降雨、采矿、人工开挖等。大规模滑坡的形成过程常受到地质 构造控制，沿着断层、结构面和基岩面等软弱面滑动。 滑坡可以发生在土质边坡，也可能发生在岩质边坡。发生于土质边坡的形 态通常比较单一，基本上以剪切破坏为主，滑动面为圆弧型或圆弧与夹泥层的 组台型。岩质边坡发生的滑坡则因受岩体结构、地应力等影响，呈现出崩滑、 滑动、倾例、溃屈等多种破坏类型( 孙广忠，1 9 8 8 ) 。 本文研究的是顺基岩面滑动的浅层土质边坡，或表土层厚的剪切破坏形式 为主的土质边坡。这种边坡地质构造表现为，表土层为坡积土、崩积上等强风 化松散介质。在滑坡的表现形式上表现为顺基岩面捐动，或自然形成的圆弧面 椭圆弧面滑动。在滑动过程中伴有崩塌，在降雨地表径流和河水作用形成泥右 流。通常滑坡规模较小，但数量多。滑坡演生的泥石流具有更大的危害性。 2 1 2 滑坡影响因素及机理分析 2 1 2 滑坡影响因素及机理分析 华东师范大学博士学位论文 第2 章滑坡预测的水文力学耦合模型构建 大多滑坡在内在因素和外部触发因素共同作用下形成的，滑坡内因有：地 形、地貌、地质、植被覆盖、水文分布等环境因素。滑坡的触发因素如：地震、 降雨、人工开挖等。暴雨是导致滑坡和泥石流的主要触发因素( 陈祖煜，2 0 0 3 ) 。 我国的西南、西北滑坡和泥石流多发地区。1 9 8 2 年7 月四川万县地区普降 暴雨，仅云阳县就发生滑坡2 万多处，并形成数百处较大规模的裂缝。忠县在 此期间形成滑坡及崩塌多达3 万处，其中大中型滑坡3 0 余处。暴雨诱发的滑坡 仅云阳县就毁坏房屋数万间，总方量超过0 1 亿m 3 的滑坡1 0 余处。1 9 8 1 年雨 季宝成铁路宝鸡至广元段共发生滑坡2 8 9 处，使该路段3 7 个区间断道3 2 次， 中断行车两个月，抢建工程费达2 5 6 亿元。 香港处于亚热带多雨丘陵地区，人口稠密，暴雨经常触发灾难性滑坡。1 9 2 5 年7 月1 7 日在普庆坊地区发生的滑坡推倒了一座高挡土墙，摧毁了5 座楼房， 7 5 人丧生。1 9 6 6 年6 月中旬，香港地区连续普降大雨，6 月1 1 日在2 4 小时内 降雨4 0 5 2 5 m m ，6 月1 2 日1 小时降雨强度达1 0 8 1 5 7 m